步進(jìn)電機(jī)常識與矩頻曲線

1、實用文案步進(jìn)常識1. 什么是步進(jìn)電機(jī) ?步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號， 它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角） 。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的； 同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2. 步進(jìn)電機(jī)分哪幾種 ?步進(jìn)電機(jī)分三種： 永磁式（PM） ，反應(yīng)式（ VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相， 轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或15 度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐

2、美等發(fā)達(dá)國家80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8 度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。3. 什么是保持轉(zhuǎn)矩 （HOLDING TORQUE）?保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一， 通常步進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減， 輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m 的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是

3、指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。4. 什么是 DETENT TORQUE?( 起動轉(zhuǎn)扭 )DETENTTORQUE是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 DETENTORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解； 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料， 所以它沒有 DETENT TORQUE。5. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%，且不累積。6. 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁， 從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)； 一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，

4、所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。7. 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 在它的作用下， 電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案8. 為什么步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) , 但若高于一定速度就無法啟動, 并伴有嘯叫聲 ?步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)： 空載啟動頻率， 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率， 如果脈沖頻率高于該值， 電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低， 然后按一定加速度升到所

5、希望的高頻 （電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。9. 如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來克服： A. 如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；B. 采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器， 這是最常用的、最簡便的方法； C. 換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)； D. 換成交流伺服電機(jī)， 幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； E. 在電機(jī)軸上加磁性阻尼器， 市場上已有這種產(chǎn)品， 但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。10. 細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度 ?步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考

6、有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進(jìn)角為1.8 的兩相標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為 4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖 0.45 ，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近 0.45 ，還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。11. 四相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動， 因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。 串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用，

7、此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的 0.7 倍，因而電機(jī)發(fā)熱??； 并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法） ，所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的 1.4 倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。12. 如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源 ?A. 電壓的確定 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍 （比如 IM483 的供電電壓為 1248VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。B. 電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I 來

8、確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的 1.1 1.3 倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案一般可取 I的 1.5 2.0 倍。13. 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脫機(jī)信號 FREE一般在什么情況下使用 ?當(dāng)脫機(jī)信號 FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài) （脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中， 如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機(jī)軸 （手動方式），就可以將 FREE 信號置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動操作或調(diào)節(jié)。 手動完成后，再將 FREE 信號置高，以繼續(xù)自動控制。14. 如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動方向?只需將電機(jī)與驅(qū)動器接線的A+

9、和 A-（或者 B+和 B-）對調(diào)即可。關(guān)于驅(qū)動器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明 在國外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動器。 但在國內(nèi)，廣大用戶對“細(xì)分” 還不是特別了解， 有的只是認(rèn)為， 細(xì)分是為了提高精度，其實不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能，現(xiàn)說明如下：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為 3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從 0 突變?yōu)?3A 或從 3A 突變到 0，相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運(yùn)行的振動和噪音。 如果使用細(xì)分驅(qū)動器， 在

10、10 細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步， 其繞組內(nèi)的電流變化只有 0.3A 而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振動標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。由于細(xì)分驅(qū)動器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，望廣大用戶一定要分清兩者的本質(zhì)不同：15 電機(jī)的相電流被平滑后， 會引起電機(jī)力矩的下降， 而細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會有所增加。16“平滑”并不精確控制電機(jī)的相電流，只是把電流的變化率

11、變緩一些，所以“平滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的。17. 兩相和五相的混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合有何不同？問題解答： 一般來說，兩相電機(jī)步距角大， 高速特性好 , 但是存在低速振動區(qū)。而五相電機(jī)步距角小，低速運(yùn)行平穩(wěn)。所以，在對電機(jī)的 運(yùn)轉(zhuǎn)精度要求較高 ，且主要在中低速段 （一般低于 600 轉(zhuǎn)/ 分）的場合應(yīng)選用五相電機(jī)；反之，若追求電機(jī)的高速性能，對精度及平穩(wěn)性無太多要求的場合應(yīng)選用成本較低的兩相電機(jī)。另外，五相電機(jī)的力矩通常在 2NM以上，對小力矩的應(yīng)用，一般采用兩相電機(jī)，而低速平穩(wěn)性的問題可以通過采用細(xì)分驅(qū)動器的 方式解決。和步進(jìn)電機(jī)相比， 伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢 ：

12、 1 、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步 的問題； 2 、高速性能好，標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000 轉(zhuǎn)； 3 、抗過載能力強(qiáng)， 能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用； 4 、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；5 、電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。矩頻特性曲線下圖是和利時的某型 3 相步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線。所謂矩頻特性曲線，是指步進(jìn)電機(jī)扭矩與輸入信號頻率關(guān)系的曲線，其實相當(dāng)于其他電機(jī)如伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性曲線。從曲

13、線上可以看出，隨著輸入頻率的升高，步進(jìn)電機(jī)扭矩下降很快。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案這應(yīng)該可以解釋步進(jìn)電機(jī)“失步”的現(xiàn)象，當(dāng)輸入頻率升高后，電機(jī)輸出減少，響應(yīng)就跟不上了， 于是就出現(xiàn)了 “失步”。可以看到從 1KHz 開始，頻率再高，電機(jī)實際輸出的扭矩就開始減小了， 不妨稱其為“截止頻率”。圖上還可以看到最下面是電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 對應(yīng) 1KHz的是 100rpm.由圖上可知此時步距角為 0.6 度0.6*1000=600 度這是 1s 電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案600*60=36000 度這是 1min 電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度36000/360=100 轉(zhuǎn)這就是電機(jī)轉(zhuǎn)速，每min 100 轉(zhuǎn)這里 0.6 度的步距角是電機(jī)的半步步距角，而實際工作時的步距角與驅(qū)動器有關(guān)。再看下圖，是從和利時步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器30806n 手冊里截的圖。這是驅(qū)動器上撥碼開關(guān)對步距角進(jìn)行細(xì)分。以 400 步/ 轉(zhuǎn)為例，表示一轉(zhuǎn) 400 步，這樣 360 度/400=0.9 度，步距角為 0.9 度。矩頻曲線圖上的 0.6 度，算一下其實就是 600 步/ 轉(zhuǎn)。我們再隨便拿一個細(xì)分出來，以 10000 步/ 轉(zhuǎn)為例吧，此時步距角為 360/10000=0.036 度，這樣電機(jī)控制精度就相當(dāng)高了。如果驅(qū)動器還是輸出 1KHz的信號，這時的轉(zhuǎn)速就變成了 0.036*1000*60/360=6rpm也就是說轉(zhuǎn)速只有6